[논문 리뷰] The physics of dense suspensions

Christopher Ness, Ryohei Seto외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 10.

Advanced Materials and Mechanics인용 수 5

한 줄 요약

이 리뷰는 조밀한 분산계에서 입자 척도 물리와 거시적 유변학을 잠금 전이에 초점을 맞추어 통합된 프레임워크를 수립한다. 여기서 응력에 의존하는 임계 부피율 φJ에 가까워질수록 유동 거동이 결정된다. 이 관점은 다양한 비뉴턴 현상을 일관되게 해석할 수 있게 하고, 비평형 통계역학에 기반한 예측 가능한 연속체 모델의 길을 열어 놓는다.

ABSTRACT

Dense suspensions of particles are relevant to many applications and are a key platform for developing a fundamental physics of out-of-equilibrium systems. They present challenging flow properties, apparently turning from liquid to solid upon small changes in composition or, intriguingly, in the driving forces applied to them. The emergent physics close to the ubiquitous jamming transition (and to some extent the glass and gelation transitions) provides common principles with which to achieve a consistent interpretation of a vast set of phenomena reported in the literature. In light of this, we review the current state of understanding regarding the relation between the physics at the particle scale and the rheology at the macroscopic scale. We further show how this perspective opens new avenues for the development of continuum models for dense suspensions.

연구 동기 및 목표

• 잠금 전이의 관점에서 다양한 유변학적 거동을 통합적으로 이해하기 위해 노력한다.
• 비평형 시스템에서 미시적 입자 척도 물리와 거시적 유변학적 반응을 연결한다.
• 응력에 의존하는 잠금 전이와 입자 접촉력이 흐름 전이를 어떻게 규정하는지 규명한다.
• 경험적 접근 방식을 초월하여 복잡한 분산계 거동을 포괄하는 연속체 모델의 기초를 마련한다.
• 비이deal한 입자, 비뉴턴 용매, 자유 표면 효과를 포함한 조밀한 분산계 모델링의 열린 과제를 부각한다.

제안 방법

• 고체 부피율 φ가 응력에 의존하는 임계 값 φJ에 수렴하는 잠금 전이를 임계점으로 분석한다.
• μ(J) 유변학 프레임워크를 사용하여 거시적 응력과 입자 척도의 협조도 및 관성 수치 J를 연결한다.
• 특히 마찰이 없는 구형 입자에 대해 잠금에 가까운 정도를 기술하기 위해 통계역학 원리를 적용한다.
• 마찰과 불규칙성 수준의 상호작용을 포함한 입자 접촉 물리학을 거시적 모델에 통합한다.
• 유체역학적 효과와 경계 조건을 통합하며, 특히 표면장력과 곡률에 기인한 자유 표면의 역할을 고려한다.
• 잠금에 가까운 영역에서의 입자 척도 제약과 변형을 고려한 효과적인 연속체 모델을 수립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 φJ로 정의된 잠금 전이에의 가까움이 조밀한 분산계의 거시적 유변학을 어떻게 규정하는가?
• RQ2 μ(J) 유변학 프레임워크는 비구형, 다분산성 또는 유연하지 않은 입자를 포함한 분산계로 어떻게 확장될 수 있는가?
• RQ3 특히 적은 수의 불규칙성 수준을 가진 입자 간 접촉력이 잠금 전이와 유동 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 자유 표면은 조밀한 분산계 흐름에서 어떤 역할을 하는가? 특히 표면 곡률과 표면장력 측면에서 설명하라.
• RQ5 연속체 모델은 어떻게 탄성 구조와 비뉴턴 용매를 포함하도록 수정될 수 있는가?

주요 결과

• 응력에 의존하는 임계 부피율 φJ에서의 잠금 전이는 조밀한 분산계에서의 역행성 액체-고체 전이를 이해하는 데 통합 원리가 된다.
• μ(J) 유변학 모델은 관성 수치 J와 잠금에의 가까움을 연결함으로써 거시적 흐름 거동을 성공적으로 기술한다.
• 마찰과 접촉역학을 포함한 입자 척도 물리학은 유변학적 반응에 결정적인 영향을 미치며, 이는 연속체 모델에 반드시 통합되어야 한다.
• 자유 표면는 표면장력이 1/a 비례로 증가함에 따라 유동 역학에 중대한 영향을 미치며, 이는 마이크론 척도에서의 표면 불안정성과 입자 변형을 유도한다.
• 유연한 모드와 통계역학 기반 이론는 현재 마찰이 없는 구형 입자에 국한되어 있어, 마찰이 있는 모델링에서의 핵심적 격차를 드러낸다.
• 비뉴턴 용매는 잠금에 가까운 영역에서 기하학적 요건이 영향을 미치는 효과적인 局부 점성률을 통해 모델링될 수 있으며, 이는 일반화된 모델로의 길을 열어 놓는다.